ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F01D3/00 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям и, в частности, к газотурбинным двигателям, имеющим улучшенную регулировку нагрузки на упорный подшипник.

Уровень техники
Газотурбинные двигатели, такие как используемые в турбореактивных или турбовинтовых летательных аппаратах, обычно включают в себя, если рассматривать от передней части к задней по направлению газового потока в двигателе, вентилятор, компрессорную и турбинную секции, заключенные в кожух. Эти части двигателя включают в себя вращающийся вентилятор, компрессор и турбину, которые соосно укреплены на одном или нескольких коаксиальных валах для обеспечения вращения вокруг центральной оси двигателя. Валы удерживаются, по крайней мере, двумя подшипниковыми узлами. Эти подшипниковые узлы обеспечивают вращение валов, и в свою очередь вентилятора, компрессора и турбины. Передний подшипниковый узел по направлению движения потока газа в двигателе также предотвращает осевое перемещение вала внутри корпуса и в дальнейшем именуется "узлом упорного подшипника". Так как узлы упорного подшипника обрабатываются при изготовлении по плотной посадке, имеется небольшой люфт между шариками подшипника и кольцом подшипника внутри общего корпуса. Этот люфт нежелателен, так как приводит к возникновению шума и вибраций двигателя во время его работы.

Большая часть этого люфта может быть устранена приложением к подшипнику направленной вперед нагрузки. Эта направленная вперед нагрузка может передаваться на подшипник через вал и может, например, создаваться сжатыми газами от компрессора, формирующими направленное вперед усилие, приложенное к задней части компрессорной секции, которая в свою очередь создает направленное вперед усилие на валы. Однако из-за трудностей, связанных с размерами двигателя, и требованиями к выполнению компрессорной секции, величина приложенного давления для обычных конструкций двигателей может оказаться недостаточной для того, чтобы создать направленную вперед нагрузку на упорный подшипник, существенно уменьшающую люфт в подшипниковом узле и связанные с ним шум и вибрацию.

Соответственно одно из решений, связанных с данной проблемой, включало в себя наличие вращающегося балансировочного поршня, закрепленного на валу сразу после компрессорной секции двигателя, что более детально будет описано ниже. Этот балансировочный поршень расположен между зонами высокого и низкого давления в двигателе. Разность давлений на поршне вызывает направленную вперед нагрузку на вал и затем на упорный подшипник. Однако этот балансировочный поршень представляет собой дорогую и ненадежную вращающуюся часть двигателя. Чем меньше поршень, тем лучше. Более того, весьма желательно полное избавление от поршня.

Такие конструкции известны из предшествующего уровня техники. Так, в документе ЕР 0252045 А, выбранном в качестве ближайшего аналога, описывается устройство, относящееся к машинам с вращаемым ротором, установленным в корпусе на подшипниках и с уплотнениями, в частности, компрессор, в котором делается попытка уменьшения нагрузки на подшипники без использования балансировочного поршня.

Сущность изобретения
В настоящем изобретении представлена усовершенствованная конструкция газотурбинного двигателя, в которой улучшена регулировка направленной вперед нагрузки на упорный подшипник, что уменьшает или совсем устраняет необходимость в использовании балансировочного поршня.

В соответствии с аспектом настоящего изобретения предлагается газотурбинный двигатель, расположенный в корпусе двигателя, имеющий продольную ось и содержащий компрессор с рабочим колесом, которое имеет заднюю поверхность рабочего колеса и концевую часть рабочего колеса, при этом компрессор служит для сжатия газов в газотурбинном двигателе; вал, опирающийся на упорный подшипник - для обеспечения вращения вокруг оси, причем рабочее колесо закреплено на валу для совместного вращения; секцию камеры сгорания, связанную по газовому потоку со сжатыми газами от компрессора; полость, образованную внутри корпуса двигателя и ограниченную, по крайней мере, частично задней поверхностью рабочего колеса и соединенную у концевой части рабочего колеса с сжатыми газами, отходящими от концевой части рабочего колеса, причем газы, отходящие от концевой части рабочего колеса, имеют в полости тангенциальную составляющую скорости относительно оси; отличающийся тем, что отводное средство связывает по газовому потоку полость с секцией камеры сгорания, причем отводное средство служит для направления потока газов из секции камеры сгорания так, чтобы уменьшить тангенциальную составляющую скорости газов, отходящих от концевой части рабочего колеса в полость, причем давление в полости увеличивается за счет газов, поступающих от концевой части рабочего колеса и из отводного средства, что создает нагрузку на заднюю поверхность рабочего колеса и через вал на упорный подшипник.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения полость простирается до концевой части рабочего колеса, а отводное средство имеет выход в непосредственной близости от концевой части рабочего колеса.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения газотурбинный двигатель дополнительно содержит трубу воздушного диффузора, простирающуюся от концевой части рабочего колеса до секции камеры сгорания, при этом труба воздушного диффузора обеспечивает связь по газовому потоку между компрессором и секцией камеры сгорания, причем труба воздушного диффузора служит для уменьшения тангенциальной составляющей скорости газов, поступающих от концевой части рабочего колеса в секцию камеры сгорания, при этом отводное средство связано с газами из трубы диффузора.

В следующем предпочтительном варианте выполнения изобретения отводное средство содержит ряд проходов от секции камеры сгорания в полость, которые проходят в основном перпендикулярно задней поверхности рабочего колеса.

В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения отводное средство простирается от области высокого давления секции камеры сгорания.

Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 представляет вид сбоку типичного газотурбинного двигателя (известного);
фиг.2 представляет увеличенное поперечное сечение части фиг.1;
фиг. 3 представляет поперечное сечение части типичного газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 графически представлены характеристики тангенциальной составляющей скорости воздуха для части газотурбинного двигателя;
на фиг.5 графически представлены характеристики давления для части газотурбинного двигателя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 представлен типичный газотурбинный двигатель 10. Этот двигатель включает в себя секцию вентилятора 11 и внутренний контур двигателя, который содержит, если смотреть по направлению газового потока, компрессорную секцию 12, секцию 14 камеры сгорания, турбинную секцию 16 и выходное сопло 18, заключенные в общий корпус 19.

Турбинная секция 16 и компрессорная секция 12 содержат несколько ступеней. По крайней мере, одно турбинное колесо в турбинной секции 16 при вращении связано с последней ступенью компрессорной секции 12 с помощью вала 20. Вал 20 поддерживается в своей задней части узлом роликового подшипника 22, а в своей передней части - узлом упорного подшипника 24. Узел упорного подшипника 24 включает в себя корпус 25 и сам упорный подшипник 27.

На фиг.2 представлено поперечное сечение части типичного газотурбинного двигателя, расположенной вблизи задней части компрессорной секции 12 и передней части секции 14 камеры сгорания. Последней ступенью компрессорной секции 12 является вращающееся рабочее колесо 26, которое связано по газовому потоку с секцией 14 камеры сгорания.

Секция 14 камеры сгорания сформирована с одной стороны кожухом камеры сгорания 28, с другой - кожухом диффузора 30, представляющим собой часть узла диффузора 32. Узел диффузора 32 также включает в себя трубу диффузора 34, тепловую защиту 36 и держатель тепловой защиты 38.

Труба диффузора 34 расположена в секции 14 камеры сгорания и обеспечивает связь по газовому потоку между концевой частью 40 рабочего колеса 26 и секцией 14 камеры сгорания. Кроме того, в секции 14 камеры сгорания имеется жаровая труба 44 камеры сгорания, определяющая камеру сгорания 46, закрепленную на корпусе двигателя 19 с помощью держателя кожуха 48. Камера сгорания 46 связана по газовому потоку с областью высокого давления ("РЗ") 50 секции 14 камеры сгорания. Также по газовому потоку с камерой сгорания 46 связано топливное сопло 52.

Рабочее колесо 26 укреплено на валу 20 для обеспечения вращения вокруг центральной оси двигателя. Стержень 66 вращается вместе с рабочим колесом 26. Узел роликового подшипника 22, включающий кожух 55 и роликовый подшипник 54, поддерживает заднюю часть вала 20. Графитовые уплотнения 56а и 56b герметизируют узел 22. На валу 20 также закреплен для вращения вместе с ним балансировочный поршень 62.

Нижняя часть кожуха диффузора 30, задняя наружная поверхность рабочего колеса 26 и передняя крышка 57 кожуха 55 роликового подшипника формируют заднюю полость рабочего колеса 64 ("ЗПРК"). ЗПРК 64 герметизирована с помощью лабиринтных уплотнений 70 и уплотнения 68. Уплотнение 68 размещается между задней частью кожуха подшипника 55 и герметизирует полость 72, размещенную непосредственно перед балансировочным поршнем 62. Полость 72 связана по газовому потоку с областью низкого давления 69, прилегающую к валу 20.

При работе двигателя секция вентилятора 11 всасывает воздух в двигатель 10, воздух поступает от секции вентилятора 11 в компрессорную секцию 12, где он сжимается множеством ступеней компрессора. Последней ступенью сжатия является рабочее колесо 26. Воздух под высоким давлением проходит мимо концевой части рабочего колеса 26. Большая часть этого сжатого воздуха направляется в секцию 14 камеры сгорания через трубу диффузора 34. Там большая часть РЗ поступает в камеру 46, где смешивается с топливом из сопла 52 и сжигается. Небольшая часть сжатого воздуха РЗ, однако, перетекает в заднюю полость 64 рабочего колеса ("ЗПРК") через негерметизированный зазор 76 между концевой частью 40 рабочего колеса 26 и кожухом диффузора 30.

Перетекающий через зазор 76 воздух повышает давление в ЗПРК 64. Повышение давления в ЗПРК 64 создает усилие на заднюю поверхность рабочего колеса 26 и кожух диффузора 30. Усилие на заднюю поверхность рабочего колеса 26 в свою очередь создает направленное вперед усилие на вал 20 и, следовательно, на упорный подшипник 27. Теоретически двигатель должен быть сконструирован так, чтобы площадь поверхности задней части рабочего колеса 26 была достаточной для того, чтобы давление в ЗПРК 64 создавало достаточное направленное вперед давление на заднюю часть рабочего колеса 26 и таким образом на упорный подшипник 27, чтобы уменьшить люфт и таким образом шум и вибрацию в узле подшипника 24. Однако на практике размеры и вес рабочего колеса 26 и двигателя 10, а также давление воздуха, выходящего из компрессорной секции 12, являются факторами первостепенной важности. Соответственно относительное давление в ЗПРК 64 на площади задней поверхности рабочего колеса 26 часто недостаточно для того, чтобы приложить достаточное направленное вперед усилие к упорному подшипнику 27. Соответственно дополнительная направленная вперед нагрузка на вал 20 и упорный подшипник 27 создается с помощью балансировочного поршня 62, как будет показано ниже.

Для сжатого воздуха обеспечивается доступ в ЗПРК 64 в ее задней части 65. Это создает высокое давление в полости 73, расположенной за балансировочным поршнем 62. Полость 72, лежащая с противоположной стороны балансировочного поршня 62, связана по газовому потоку с областью низкого давления 69, прилегающей к валу 20. Так как полость 72 находится под более низким давлением, чем полость 73, возникает разность давлений на балансировочном поршне 62. Эта разность давлений в свою очередь образует направленное вперед усилие на балансировочном поршне 62, валу 20 и упорном подшипнике 27. Размер балансировочного поршня 62 и разность давлений на нем могут быть выбраны таким образом, чтобы компенсировать недостаточность направленного вперед усилия на заднюю поверхность рабочего колеса 26, обеспечивая таким образом необходимую направленную вперед нагрузку на упорный подшипник 27.

При нормальных "взлетных" условиях упорный подшипник находится под направленной вперед нагрузкой, равной приблизительно 12,54 кН (2800 фунтов), из которых приблизительно 18,896 кН (2000 фунтов) создаются за счет балансировочного поршня 62. Как отмечалось ранее, этот балансировочный поршень вращается и поэтому является ненадежной частью двигателя.

По мере того, как воздух под давлением поступает в ЗПРК 64, проходя от концевой части рабочего колеса 26, он будет иметь тем более существенную тангенциальную составляющую скорости или "завихрение" в направлении вращения рабочего колеса 26, чем более сжатый воздух поступает в ЗПРК 64. Эта тангенциальная скорость изменяется по мере того, как воздух распространяется в радиальном направлении в ЗПРК 64. Сплошная линия на фиг.4 показывает результаты моделирования отношения тангенциальной составляющей скорости воздуха к тангенциальной составляющей скорости рабочего колеса в определенном месте (также известного как "К-фактор") для различных расстояний по радиусу в ЗПРК 64 для двигателя, изображенного на фиг.2.

В результате "завихрения" статическое давление воздуха уменьшается в радиальном направлении. Это в свою очередь создает радиальный перепад давления в ЗПРК 64. Этот перепад давления существенно уменьшает среднее значение давления в ЗПРК 64 и, следовательно, уменьшает направленное вперед усилие на рабочее колесо 26. Сплошная линия графика на фиг.5 иллюстрирует это уменьшение статического давления на рабочее колесо 26 при изменении в радиальном направлении расстояния от концевой части 40 для двигателей, представленных на фиг.1 и 2.

В основе данного изобретения лежит принятие того, что уменьшение "завихрения" воздуха в ЗПРК 64 может существенно повысить среднее статическое давление в ЗПРК 64 и соответственно обеспечить достаточную направленную вперед нагрузку на упорный подшипник 27 для того, чтобы уменьшить требования к размеру балансировочного поршня 62, либо вообще обойтись без него.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение части реактивного двигателя, видоизмененного таким образом, чтобы обеспечить прохождение сжатого воздуха из секции 14 камеры сгорания двигателя 10 в ЗПРК 64 вблизи концевой части рабочего колеса 26.

Как указывалось ранее, большая часть воздуха, проходящего рабочее колесо 26, направляется в секцию 14 камеры сгорания с помощью трубы диффузора 34. Труба диффузора 34 существенно уменьшает тангенциальную составляющую скорости и, следовательно, "завихрение" воздуха, поступающего в секцию 14 камеры сгорания от рабочего колеса 26. Таким образом, воздух из области РЗ в области высокого давления 50 секции 14 камеры сгорания свободен от "завихрений". Поступление сжатого воздуха из секции 14 камеры сгорания в ЗПРК 64 вблизи концевой части рабочего колеса 26 существенно уменьшает завихрение воздуха в ЗПРК 64 и таким образом перепад давления, вызываемый этим завихрением.

Для того, чтобы обеспечить поток через ЗПРК 64 такой же величины, как и в устройстве, представленном на фиг.2, подбирается величина отверстий 90. Так как общий воздушный поток через ЗПРК 64 остается такой же величины, что и для устройства, представленного на фиг.2, поток, поступивший в ЗПРК 64 от концевой части рабочего колеса в ЗПРК 64, будет уменьшаться на количество сжатого воздуха, поступившего в ЗПРК 64.

Поступление воздуха из секции 14 камеры сгорания в ЗПРК 64 может быть достигнуто за счет отводного средства 80 регулирования потока сжатых газов камеры сгорания и уменьшения тангенциальной составляющей скорости потока газов от концевой части рабочего колеса в полости корпуса двигателя, создания в этой плоскости сжатия от потоков газов от концевой части 40 рабочего колеса и отводного средства и создания нагрузки на заднюю поверхность рабочего колеса через вал 20 на упорный подшипник 27 (отводное средство 80 в дальнейшем тексте). В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.3, отводное средство 80 выполнено в виде малых отводных проходов или отверстий 80 в кожухе диффузора 30 перед тепловой защитой 36. Отводное средство выполнено так, чтобы газы, выходящие из него, уменьшали тангенциальную составляющую скорости газов, отходящих от концевой части 40 рабочего колеса в ЗПРК 64. Размер, расположение и количество проходов будет определять количество воздуха РЗ, проходящего из секции 14 камеры сгорания в ЗПРК 64, допуская тем самым регулировку действия проходящего воздуха на нагрузку на упорном подшипнике 27. Оптимальным расположением отводных проходов 80 является расположение вблизи концевой части рабочего колеса 40, как показано на фигуре.

Предпочтительно, чтобы отводные отверстия (проходы) 80 проходили в основном перпендикулярно задней поверхности рабочего колеса.

Пунктирная линия на графике, представленном на фиг.4, показывает моделирование влияния наличия отводного прохода 80 на расстоянии 2% от концевой части рабочего колеса 26 на К-фактор, раскрытый выше, для различных расстояний по радиусу в ЗПРК 64 для устройства, приведенного на фиг.3. Это уменьшение тангенциальной составляющей скорости вблизи концевой части 40 в ЗПРК 64 уменьшает перепад давления в ЗПРК 64 и приводит к общему росту давления в ЗПРК 64 для различных расстояний по радиусу. Пунктирная линия на графике, представленном на фиг. 5, дает также результат моделирования увеличенного общего статического давления на заднюю поверхность рабочего колеса 26 для устройства, представленного на фиг.3, для различных расстояний по радиусу в ЗПРК 64.

Общее увеличенное давление в ЗПРК 64 в свою очередь увеличивает направленную вперед нагрузку на заднюю часть рабочего колеса 26, вал 20 и упорный подшипник 27. Результаты моделирования показывают, что общая направленная вперед нагрузка на заднюю поверхность рабочего колеса 26 для типичного двигателя, усовершенствованного в соответствии с фиг.3, возрастает приблизительно на 5,782 кН (1300 фунтов) (по сравнению с двигателем, представленным на фиг. 2). Это позволяет избавиться от балансировочного поршня 62 (показан на фиг.2), как показано на фиг.3, и обеспечить направленную вперед нагрузку на упорный подшипник 27, равную приблизительно 9,341 кН (2100 фунтам), что достаточно.

Кроме того, так как вся ЗПРК 64 находится теперь под более высоким давлением, давление воздуха в области 88 (фиг.3), эквивалентной полости 73 на фиг. 2, теперь выше, чем без отводных проходов 80, что позволяет уменьшить размер отверстий 90 в находящемся под высоким давлением турбинном диске 86, сравнивая тем самым скорость воздушного потока через отверстия 90 со скоростью потока для неусовершенствованного двигателя, представленного на фиг.2. Это продлевает срок службы турбинного диска 86. Повышенное давление в полости 88 позволяет увеличить зазор в лабиринтном уплотнении 87, уменьшая тем самым чувствительность этого уплотнения к износу. Это дополнительно обеспечивает удобный метод регулирования усилия тяги за счет изменения размера отводных проходов 80.

Избавление от этого балансировочного поршня устраняет критический вращающийся элемент двигателя 10.

В дальнейшем будет также понятно, что изобретение не ограничено приведенными здесь иллюстрациями, которые только демонстрируют предпочтительный вариант выполнения изобретения и которые допускают изменение форм, размеров, размещения отдельных частей и особенностей их функционирования. Изобретение может быть легко использовано для усовершенствования существующих конструкций двигателей, отличных от типичного двигателя, описанного выше. Изобретение скорее ориентировано на то, чтобы охватить все модификации, подпадающие под его сущность и объем, как определено в формуле изобретения.

Газотурбинный двигатель содержит расположенный в корпусе компрессор с рабочим колесом, имеющим заднюю поверхность и концевую часть, вал, секцию, камеры сгорания и полость, образованную внутри упомянутого корпуса двигателя и ограниченную, по крайней мере, частично задней поверхностью колеса и расположенную в области концевой части. Поток газов в зоне концевой части рабочего колеса имеет тангенциальную составляющую скорости относительно оси в пределах полости. Газотурбинный двигатель также содержит отводное средство регулирования потока сжатых газов камеры сгорания, уменьшения тангенциальной составляющей скорости потока газов от концевой части рабочего колеса в упомянутой полости, создания в этой полости сжатия от потоков газов от концевой части рабочего колеса и отводного средства и создания нагрузки на заднюю поверхность рабочего колеса через вал на упорный подшипник. Отводное средство расположено на пути потока между полостью и секцией камеры сгорания. Изобретение улучшает регулировку нагрузки на упорный подшипник. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газотурбинный двигатель 10, расположенный в корпусе двигателя, имеющий продольную ось и содержащий компрессор 12 сжатия газов в упомянутом газотурбинном двигателе 10 с рабочим колесом 26, которое имеет заднюю поверхность рабочего колеса и концевую часть 40 рабочего колеса, вал 20, установленный на упорном подшипнике 27 с возможностью вращения вокруг упомянутой оси, секцию 14 камеры сгорания, расположенную на пути потока сжатых газов от упомянутого компрессора 12, и полость 64, образованную внутри упомянутого корпуса двигателя, ограниченную, по крайней мере, частично, упомянутой задней поверхностью рабочего колеса и расположенную в области упомянутой концевой части 40 рабочего колеса в упомянутом потоке сжатых газов от упомянутой концевой части 40 рабочего колеса, при этом упомянутый поток газов в зоне концевой части 40 рабочего колеса имеет тангенциальную составляющую скорости относительно упомянутой оси в пределах упомянутой полости 64, а упомянутое рабочее колесо 26 установлено на упомянутом валу 20 с возможностью совместного их вращения, отличающийся тем, что он содержит отводное средство 80 регулирования потока сжатых газов камеры сгорания, уменьшения тангенциальной составляющей скорости потока газов от концевой части рабочего колеса в упомянутой полости, создания в этой полости сжатия от потоков газов от упомянутой концевой части рабочего колеса 40 и отводного средства 80 и создания нагрузки на упомянутую заднюю поверхность рабочего колеса через упомянутый вал 20 на упомянутый упорный подшипник 27, причем упомянутое отводное средство 80 расположено на пути потока между упомянутой полостью 64 и упомянутой секцией 14 камеры сгорания. 2. Газотурбинный двигатель 10 по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая полость 64 выполнена до упомянутой концевой части 40 рабочего колеса, а упомянутое отводное средство 80 имеет выход в зоне упомянутой концевой части 40 рабочего колеса. 3. Газотурбинный двигатель по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит трубу воздушного диффузора 34, установленную от упомянутой концевой части 40 рабочего колеса до упомянутой секции камеры сгорания с возможностью уменьшения упомянутой тангенциальной составляющей скорости упомянутых газов на пути от упомянутой концевой части 40 рабочего колеса до упомянутой секции 14 камеры сгорания и образующую путь потока между упомянутым компрессором 12 и упомянутой секцией 14 камеры сгорания, при этом упомянутое отводное средство 80 расположено на пути потока газов от упомянутой трубы диффузора 34. 4. Газотурбинный двигатель 10 по п. 2, отличающийся тем, что упомянутое отводное средство 80 содержит ряд проходов, соединяющих упомянутую секцию 14 камеры сгорания с упомянутой полостью 64. 5. Газотурбинный двигатель 10 по п. 4, отличающийся тем, что упомянутые проходы расположены по существу перпендикулярно упомянутой задней поверхности рабочего колеса. 6. Газотурбинный двигатель 10 по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое отводное средство 80 расположено отходящим от области высокого давления 50 упомянутой секции 14 камеры сгорания.